Bränslekvalitet utifrån askbildande element - del 2 Emissioner Christoffer Boman Energiteknik och Termisk Processkemi Umeå universitet
Del 1 Del 2
Innehåll 1. Intro - drivkrafter för fokusering och åtgärder 2. NOx 3. Stoft partiklar generellt och i förbränning 4. Partiklar - aska, nya råvaror m m 5. Lagkrav och emissionsreducering 6. Slutsatser
Biobränslen idag? Biobränslen i morgon? Svaveldioxid (SO 2 ) Bränslekvalitet? Kväveoxider (NO x ) Svaveldioxid (SO ) Kolmonoxid (CO) Polyaromatiska kolväten (PAH) Flyktigakolväten kolväten (VOC) Dioxiner Tungmetaller Stoft
Drivkrafter för fokusering och åtgärder... Klimat och resursförsörjning: Ökat nyttjande av bioenergi! Försurning: Fortsatta åtaganden med minskade kväveutsläpp (NOx) Urban luft: Partiklar i omgivningsluften är ett stort problem med sjuklighet och dödlighet Atmosfärseffekter: Partiklar i atmosfären påverkar strålningsbalansen (klimatet) mycket men i komplexa och delvis okända processer
Utsläpp av PM 10 (kilo ton/år) till luften från olika källor inom EU 15 för år 2000 och ett climate measure scenario för år 2020 1400 Agriculture 1200 1000 Off-road Non-exhaust Diesel exhaust, HDT 800 600 400 Diesel exhaust, cars Domestic, wood stoves Agriculture Off-road Non-exhaust Diesel exhaust, cars Domestic, wood stoves 200 0 Industrial processes Industrial combustion Industrial processes Industrial combustion 2000 2020 2000 2020 Källa: Amann M, Cofala J, Klimont Z. The potential for further reductions of PM emissions in Europe. International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA). Presentation within the CAFE programme.
Partiklar och hälsoeffekter Partiklar omgivningsluften antas leda till 350 000 förtida dödsfall per år i Europa (EU Clean Air for Europe, 2004) I Sverige uppskattas denna siffra till 1 800 förtida dödsfall per år (Forsberg et al, Ambio, 2005) Budskapet är att partikelfrågan är stor inom EU, det finns en oro för hälsoeffekterna, vilketsannolikt kommer leda till skärpta utsläppskrav samt utgöra potentiellt hinder för introduktion av biobränslen på vissa marknader! Påverkan på hjärt/kärl systemet allvarligast, men även stor sjuklighet och besvär relaterat till luftvägarna till följd av partikelexponering Id k l häl ff kt d t till k t ti tik l (t PM ) Idag kopplas hälsoeffekterna endast till koncentrationen av partikelmassa (t ex PM 10 ) i luften, utan skillnad för antalet, sammansättning, ytegenskaperetc. alla partiklar (varje mg) partiklar anses lika farliga!
Utsläppav kväveoxider i Sverige Källa: Energimyndigheten Energiläget 2009 NOx avgift systemet berör förbränningsanläggningar som producerar minst 25 GWh per år
Bildning av kväveoxider i förbränning 2500 NOx em missioner (mg/m3 3) 2000 1500 1000 500 Bränsle NO x Termiskt NO x Prompt NO x 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Förbränningstemperatur ( C)
2.5 Kväveinnehåll i biobränslen (olika referenser) 2 % av TS 1.5 1 0.5 0
Air staging nygammal metod för NO x reduktion stort fokus på optimering i närvärmesektorn Fokuserar på fördelningen mellan primär och sekundär (tertiär...) luft Samspelet mellan temperatur och uppehållstid viktig komplext! Källa: Nussbaumer T, 1997. in Developments in Thermochemical Biomass Conversion, Blackie Academic?
Aerosolpartiklar den ena är inte den andra lik!
Typisk storleksfördelning av partiklar i rökgaser (2 MW rosterpanna med flis) 120 100 Varför två moder? ) Dm/d lo og(dp) (mg/nm 3 80 60 40 50% load 100% load 20 0 0,01 0,10 1,00 10,00 Particle diameter Dp (µm)
Partiklars ursprung bildning och karakteristik UFP PM1 PM2.5 PM10 TSP s concentratio on(relative sca ale) mineral grains, road dust, sand etc. Particle mass metals, sufuric acid, organics, primary soot soot, organics, metals Particle diameter (µm) Ultra Fine Particles
Större anläggningar: Askpartiklar (aerosoler) orsakar tekniska problem: Beläggningsbildning försämrad värmeöverföring Beläggningsbildning försämrad värmeöverföring, driftproblem och korrosion
Vad skiljer då olika mellan olika förbrännings system med tanke på partikelemissioner? i i Villavärme Närvärme (<20 MW) Storskalig kraftvärme
300 Småskaliga system för villavärme: Stor variation på utsläppsnivåer och partikelsammansättning (Källa: Tissari J et al, 2007) Ana alyzed PM 1 emission (mg g/mj) 200 100 1. Organics 2. Soot 3. Inorganics OM (factor 1.8) EC Ash 0 Modern Masonry Heater Sauna Stove Conventional Masonry heaters Pellet burner Modern masonry Sauna stove* Conventional Pellet burner heater* Tissari et al., 2007 masonry (Field measurements, Atm. Env. ) heater* *Tissari et al., 2007
Bildning av fina partiklar påverkas av förbränningsförhållanden (Källa: Boman C, doktorsavhandling, 2005) Average PM-tot (mg/mj) 350 300 250 Products of incomplete combustion (sot and organiskt) 200 150 Fina askpartiklar 100 50 0 Optimized combustion Pellet stove 1 (5 kw) Pelletstove 1 (1.7 kw) Pellet stove 2 (5 kw) Pellet stove 2 (2 kw) Wood log stove ("normal") Wood log stove ("extreme")
Närvärme: Nya askrikare bränslen och fraktioner högre emissioner av fina askpartiklar! Average PM-tot (mg/mj) 350 300 250 200 150 100 50 0 Optimized Pellet stove Pelletstove 1 Pellet stove Pellet stove Wood log Wood log combustion 1 (5 kw) (1.7 kw) 2 (5 kw) 2 (2 kw) stove stove ("normal") ("extreme") Källa: Obernberger I, OH presentation
Generell ask- och partikelbildning för skogsbränslen schematisk illustration av Öhman (LTU), Boman and Boström (UmU) High temperature: Volatilization 800 1200 C Low temperature: Condensation 100 C (K/Na)OH (g), (K/Na)Cl (g) K 2 SO 4 (g), Zn (g) fuel particle entrained coarse ash particles 1-20 µm O 2 (g), CO 2 (g), H 2 O (g) NO x, SO 2 (g), HCl () (g) fine particles 0.1 1.0 µm solids/liquids /q of: K/Na chlorides, sulfates, carbonates + ZnO/ZnCl 2, K/Zn Cl (s) Residual ash K-silicate melt Other residual ash forming matter (e.g. Ca, Mg) K, Ca, Mg silicate melt
Typisk oorganisk sammansättning på fina partiklar från förbränning av biobränslepellets (Källa: Johansson L et al, SP) NaCl 2% Na2CO3 3% Na2SO4 1% KCl 37% K2SO4 53% K2CO3 4%
Enkelt sagt: K, Na (+ Cl, S, P) Bildar fina (<1 µm) partiklar Ca, Mg, Si (+ P) Bildar grov aska och partiklar (>1 µm) partiklar Men: avgång, uppbindning, infångning, omvandling inverkar... wt % of element (D.S) 1.6 1.4 12 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Stemwood Bark Twigs Needles Shoots Contam. (3% ) K Na Ca Mg Si S Cl P Källa: Werkelin, Thesis, 2008, Åbo Akademi University
Emissionskrav Villaskala (<50 kw) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 PM tot "Totalstoft" (mg/m 3 n vid 10% O 2 )
Emissionskrav Närvärme 160 140 120 100 80 60 40 20 0 PM "Totalstoft" (mg/m 3 n vid 13% CO 2 )
Stoftemissioner i en närvärmepanna i relation till utsläppskrav
Slutsatser och funderingar Emissioner av partiklar (och NOx) i fokus för framtida bioenergi Hälsoeffekterna av partiklar bedöms stora ochkan utgöra hinder för bioenergin Partiklar har stor heterogenicitet vad gäller fysiska ochkemiska egenskaper Skillnader i karaktären ktä av partikelproblematiken i olika sektorer Askhalt och sammansättning styr bildning av små partiklar Nya askrika råvaror ger generellt högre halter fina partiklar Driften av pannan påverkar såväl andel sot, fina askpartiklar och grova partiklar potential för optimering samt metoder för emissionsminskning! Ökad bioenergi Nya råvaror Strängar utsläppskrav Konflikt!!???